普林斯頓大學和華盛頓大學的研究人員開發出一種鹽粒大小的超小型照相機。該系統依賴一種被稱為超表面的技術，由160萬個圓柱形柱組成，可像計算機芯片一樣量產。圖片來源：普林斯頓大學
微型相機在發現人體問題和實現超小型機器人傳感方面有很大潛力，但過去的方法只能在有限的視野下捕捉模糊、扭曲的圖像。
現在，普林斯頓大學和華盛頓大學的研究人員利用一種粗鹽粒大小的超小型相機克服了這些障礙。研究人員在11月29日發表在《自然—通訊》的一篇論文中稱，新系統可產生清晰、全彩的圖像，可與體積相當于其50萬倍的傳統復合相機鏡頭相匹敵。
通過相機硬件和計算處理的聯合設計，該系統可實現醫療機器人的微創內鏡診斷及治療疾病，并改善其他機器人的成像尺寸和重量的限制。數千個這樣的相機陣列可用于全場景傳感，將表面變成相機。
傳統的相機使用一系列彎曲的玻璃或塑料透鏡將光線彎曲成焦點，而新的光學系統依賴一種超表面技術，它可以像計算機芯片一樣生產。超表面只有半毫米寬，布滿160萬個圓柱體，每個柱子的大小與人類免疫缺陷病毒(HIV)差不多。
每個柱子都有獨特的幾何形狀，其功能就像光學天線。為了正確塑造整個光波前的形狀，必須改變每個柱體的設計。在機器學習算法的幫助下，柱子與光線相互作用，為迄今開發的全彩超表面相機產生了最高質量的圖像和最寬的視野。
相機的一個關鍵創新是光學表面和產生圖像的信號處理算法的集成設計。該研究資深作者、普林斯頓大學計算機科學助理教授Felix Heide說，這提高了相機在自然光條件下的性能，而以前的超表面相機需要實驗室的純激光或其他理想條件才能產生高質量的圖像。
研究人員將系統產生的圖像與之前超表面相機產生的結果進行了比較，并與傳統的復合光學相機使用6個折射透鏡拍攝的圖像進行了比較。除了鏡框邊緣有一點模糊外，這種納米相機拍攝的照片與體積相當于其50多萬倍的傳統相機鏡頭拍攝的照片不相上下。
而其他超緊湊超表面透鏡的圖像則畸變嚴重，視場小，捕捉全光譜可見光(即RGB成像)的能力有限，因為它結合了紅、綠、藍來產生不同的色調。
“設計和配置這些微結構做你想做的事，這是一個挑戰。”該研究作者、普林斯頓大學計算機科學博士生Ethan Tseng說，“對于捕捉大視場RGB圖像的特定任務來說，這是一個挑戰，因為有數百萬這樣的微型結構，我們不清楚如何以最佳方式設計它們。”
以前的微型相機(左)在有限的視野下捕捉模糊、扭曲的圖像。而一種被稱為神經納米光學的新系統(右)可產生與傳統復合相機鏡頭相同的清晰、全彩圖像。圖片來源：普林斯頓大學
論文聯合首席作者Shane Colburn通過創建一個計算模擬器來自動測試不同的納米天線配置來解決這個挑戰。由于天線的數量及其與光交互的復雜性，這類模擬會占用“大量的內存和時間。”Colburn說。他開發了一個模型，以充足的精度來高效模擬超表面的圖像產生能力。
Colburn作為華盛頓大學電子與計算機工程系的助理教授主持了這項研究，他還在西雅圖的Tunoptix公司指導系統設計，該公司正在將超表面成像技術商業化。
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https://doi.org/10.1038/s41467-021-26443-0
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